上大《MSEA》用CT給3D列印金屬「診療」—揭示孔洞缺陷形成機理

TC4合金具有質輕、比強度高等優點，通過雷射選區熔化（SLM）技術製備的TC4金屬零部件被廣泛應用於航空航天、生物醫療等領域。在TC4合金SLM成形過程中，受到包括雷射能量的吸收和傳輸、材料的快速熔化和凝固、微觀組織演化、熔池的流動、材料的蒸發等因素的影響，導致成形熱力學和動力學十分複雜，因而在構件內部會形成孔洞、裂紋、雜質等缺陷，這些缺陷嚴重降低了成形件綜合力學性能，限制了雷射列印TC4合金的廣泛應用。因此，研究TC4合金SLM成形過程中缺陷的形成機制和掌握抑制缺陷產生方法的是提升SLM製備TC4合金零部件性能的關鍵問題。

近日，上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與製備國家重點實驗室在最新研究中，基於X射線CT成像技術，在3D列印TC4合金孔洞缺陷三維表徵和形成機理方面取得重要進展，相關成果以「Study of pore defect and mechanical properties in selective laser melted Ti6Al4V alloy based on X-ray computed to mography」為題發表在Materials Science and Engineering: A 期刊上，實驗室王江教授為該論文通訊作者。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139981

雷射增材製造（LAM）技術本質上是金屬材料的快速熔化和凝固過程，因此在其成形過程中也會產生和金屬鑄造過程相似的各類冶金缺陷，如氣孔、夾渣、裂紋等等。在高功率雷射束長期循環往復「逐點掃描熔化-逐線掃描搭接-逐層凝固堆積」的LAM過程中，雷射束與金屬粉末材料的作用時間極短，金屬粉末在逐層堆積過程中，不斷經歷急冷急熱的交替過程，其熔化和凝固都處於極端非平衡條件下。主要工藝參數、外部氣氛環境、熔池熔體流動狀態以及掃描填充軌跡的不連續和不穩定等都可能在零件內部區域產生各種特殊的內部冶金缺陷（如層間及道間局部未熔合、孔隙、捲入和析出性氣孔、氧化物夾雜、裂紋等）。這些缺陷的形成在很大程度上會影響最終成形零件的內部質量、力學性能和製件的服役使用安全等。金屬粉末材料在LAM過程中成形件內部缺陷的產生始終是制約LAM工藝發展的重要瓶頸問題之一。

該論文採用X射線計算機斷層掃描（X-RayComputed Tomography，XCT）無損檢測技術對3D列印TC4合金進行全流程「診療」，包括TC4原材料粉末、3D列印成形零件以及拉伸試樣中孔洞缺陷的精準三維表徵。研究了TC4合金的SLM成形過程中孔洞缺陷的三維幾何形貌特徵，包括孔洞缺陷的三維形貌、空間分布、尺寸大小、比表面積、表面曲率、空間取向等幾何拓撲結構，揭示了孔洞缺陷形成機理，建立了孔洞三維形貌特徵與形成機理之間的關係。同時探索了不同工藝參數下TC4合金試樣內部缺陷的產生規律和形成工藝之間的關係，建立了孔隙尺寸與工藝參數之間的關係模型，並對內部氣孔缺陷的產生進行了預測。分析了工藝參數對緻密度和力學性能的影響規律，研究了TC4合金SLM成形件缺陷特徵、顯微組織結構等對力學性能的影響。

該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目「電磁場下冶金相變機理研究」和上海市科委基金的資助。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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